1. Литературный обзор

1.1. Основные свойства полигидроксиалконатов (пга)

На сегодняшний день в мире сложилась сложная ситуация, при которой легкая промышленность потребляет огромное количество не возобновляемых природных ресурсов, производя ежегодно до 300 млн. тонн пластиков и пластиковых отходов [3].

Биополимеры – это ответ на вызов времени, они сходны по свойствам с традиционными полимерами (полиэтилены, полипропилены), однако и вместе с тем легко биоразлагаются, а продукты их распада не накапливаются во внешней среде в виде вредных отходов.

Одна из основных групп биоразлагаемых полимеров, которая сейчас активно исследуется это полигидроксиалконоаты (ПГА) – полиэфиры от гидроксипроизводных жирных кислот, синтезируемые бактериями в качестве запаса углерода и энергии, при отсутствии питательных элементов при значительном избытке углерода.

На рисунке ниже изображены общие структуры ПГА полимеров.

Рисунок 1 – Общая структурная формула полигидроксиалконоатов и их производных

Условно бактериальные ПГА можно разделить на три группы:

1. ПГА с длинной углеродной цепью [6];

2. ПГА со средней длинной углеродной цепи, содержащей обычно 6 – 14 атомов углерода;

3. ПГА с короткой углеродной цепью, содержащей 3 – 5 атомов углерода.

Механические и химические свойства ПГА, зависят не только от длины углеродной цепи, но и от соотношения мономеров. В среднем ПГА содержит несколько тысяч мономеров.

Рисунок 2 – Основные коротко-цепочные мономеры ПГА

ПГА биополимеры находятся в клетках бактерий в виде микрогранул. Количество гранул в клетке может составлять от 2 – 4 до 12 и более. Гранулы заключены в мембрану толщиной 2 – 4 мкм и на 98% состоят из полимера. Основой этих гранул являются полиэфирные белки и липиды. Они образованы фибриллярными структурам, которые представляют собой двойные нити в виде закрученных вправо лент. Последние образуют мицеллообразные кристалы полимера [11]. Особая механическая плотность и гидрофобность полимерных цепей в гранулах связяна с наличием ограничивающих фосфолипидных оболочек под белковыми структурами.

1.2. Получение полигидроксиалконатов (пга)

1.2.1 Культивирование

Для получения биополимера необходимо пройти весь цикл выращивания бактериальной культуры (Cupriavidus Eutrophus) и его дальнейшей экстракции на ферментативной линии.

На первой стадии осуществляется накопление бактериальной биомассы в течении 24 часов до итоговой концентрации в пределах 40 – 50 грамм на литр. Для обеспечения роста культуры используют специальные подпитывающие растворы содержащие соли азота и глюкозу. После достижения оптимальной концентрации начинается следующая стадия.

На второй стадии полностью останавливается подача азота, что приводит к остановке роста концентрации клеток в культуре, начинается процесс накопления полимера в клетках. Оптимальное время необходимое для этой стадии составляет около 30 часов [2].

Основные макроэлементы, необходимые для роста культуры это – углерод, далее – кислород, а также азот [3]. Азот используется микроорганизмами в виде мочевины, аммония или их солей. Другими источниками азота могут являться различные белки, пептоны, аминокислоты и т.д. Соотношение углерода к азоту оказывает существенное влияние на скорость роста микроорганизмов, воздействуя на метаболические пути бактерий [1].

При выращивании микроорганизмов в колбе в околоклеточной жидкости происходит накопление аммиака, что может привести к ингибированию роста культуры. Недостаток азота также является лимитирующим фактором роста бактерий. При наличии углеродного субстрата в достаточном количестве культура начинает накапливать полимер, поэтому следует подбирать оптимальные значения концентрации азотного субстрата и других микро и макроэлементов [4].